解決工業(yè)能源采集問題的技術(shù)

放眼世界各地，工程師們都在提供旨在利用非傳統(tǒng)型能源的新穎和革新方法，以解決現(xiàn)實(shí)問題。提升的安全性和易接近性、較低的維護(hù)成本、改善的能量效率和系統(tǒng)靈活性只是借助“采集”能量、無線檢測(cè)和監(jiān)視/控制系統(tǒng)所能獲得的諸多好處中的一少部分。能源的高成本、新出臺(tái)的政府條例和環(huán)境問題導(dǎo)致人們對(duì)于在各種場(chǎng)合中提高功率使用效率的需求大幅度地增長(zhǎng)。新興的可替代能源技術(shù)以及功率利用率的改善擁有在眾多不同的市場(chǎng)之中實(shí)現(xiàn)性能突破的潛力。此外，不管從短期還是長(zhǎng)期而言，能夠利用這些新技術(shù)的新產(chǎn)品都意味著絕佳的成長(zhǎng)機(jī)遇。

許多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在逐步轉(zhuǎn)而采用可替代能源作為主要或輔助的供能方式。理想的狀況是：這種采集能量將完全免除增設(shè)有線電源或電池的需要。利用現(xiàn)成的物理電源（例如：溫差裝置［熱電發(fā)生器或熱電堆］、機(jī)械振動(dòng)［壓電或機(jī)電裝置］和光［光伏器件］）來產(chǎn)生電力的換能器正在成為許多應(yīng)用的適用電源。眾多的無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和其他低功率應(yīng)用正逐漸發(fā)展成為只使用采集能量的近“零”功率器件（有些人通常稱之為“毫微功率”）。

雖然“能量采集”自2000年初就出現(xiàn)了（當(dāng)時(shí)為其萌芽期），但只是憑借近期的技術(shù)發(fā)展才將其推進(jìn)至商業(yè)化階段。簡(jiǎn)而言之，2010年我們將迎來其“成長(zhǎng)”階段。運(yùn)用能量采集技術(shù)的樓宇自動(dòng)化傳感器應(yīng)用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這說明其成長(zhǎng)階段可能已拉開序幕。

現(xiàn)有的應(yīng)用證實(shí)了商業(yè)可行性

盡管能量采集的概念廣為人知已有多年，但在某種實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)卻很麻煩、復(fù)雜和昂貴。然而，采用了能量采集方法的市場(chǎng)實(shí)例包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)，樓宇自動(dòng)化當(dāng)然也在其中。就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器和光開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個(gè)機(jī)械或能量采集系統(tǒng)。除了可以免除首先進(jìn)行線路安裝（或在無線應(yīng)用中定期更換電池）的需要之外，這種替代方法還能減低有線系統(tǒng)往往存在的例行維護(hù)成本。

同樣，運(yùn)用能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁淮苯ㄖ飪?nèi)任何數(shù)目的傳感器連接起來，以通過在建筑物內(nèi)無人的情況下切斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）以及照明成本。此外，能量采集電子線路的成本常常低于檢測(cè)線路的運(yùn)行成本，因此，選用采集電能技術(shù)顯然能夠帶來經(jīng)濟(jì)上的收益。

典型的能量采集配置或系統(tǒng)（由下面的圖1所示的4個(gè)主要的電路系統(tǒng)模塊來表示）通常包括一種免費(fèi)能源，比如：連接在某個(gè)發(fā)熱源（如HVAC管道）上的熱電發(fā)生器（TEG）或熱電堆。這些小型熱電器件能夠?qū)⒑苄〉臏夭钷D(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個(gè)能量采集電路（圖1中的第二個(gè)模塊）進(jìn)行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括某種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)超低功率微控制器（圖1中的第三個(gè)模塊）。上述元件可以獲取該采集能量（如今以電流的形式存在）并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得一個(gè)讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個(gè)超低功率無線收發(fā)器（由圖1所示電路鏈中的第四個(gè)模塊來表示）進(jìn)行傳輸。

圖1：典型能量采集系統(tǒng)的四個(gè)主要的模塊

該鏈路中的每個(gè)電路系統(tǒng)模塊（能源本身可能是個(gè)例外）都特有一組迄今為止有損于其商業(yè)可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間；然而，超低功率收發(fā)器只是在過去的短短幾年里才剛剛實(shí)現(xiàn)了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量采集器和電源管理器。

現(xiàn)有的電源管理器模塊實(shí)現(xiàn)方案是一種低性能分立型結(jié)構(gòu)，通常包括 35個(gè)或更多的元件。此類設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)不足之處導(dǎo)致了終端系統(tǒng)中的性能損失。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，這反過來又延長(zhǎng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量采集電源能夠低到何種程度有所限制，因?yàn)樗紫缺仨毘讲僮魉璧碾娏魉?，然后才能將任何剩余的能量用于給輸出供電。最后，它還需要非常高深的模擬開關(guān)模式電源專門知識(shí)，而擁有此項(xiàng)專長(zhǎng)的人才都很短缺！

“缺失的一環(huán)”（您要這么說也未嘗不可）一直是能夠采集和管理來自極低輸入電源電壓剩余能量的高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換器。不過，這種狀況即將發(fā)生改變。

缺失的一環(huán)

凌力爾特近期推出了其LTC3108，這是一款超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，專為極大地簡(jiǎn)化采集和管理來自極低輸入電壓電源（例如：熱電堆、熱電發(fā)生器［TEG］、甚至小型太陽能電池）的剩余能量的任務(wù)而設(shè)計(jì)。其升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在低至20mV的輸入電壓條件下運(yùn)作。這是很重要，因?yàn)樗沟肔TC3108能夠從一個(gè)溫度變化量小至1℃的TEG收集能量——相比之下，由于分立型實(shí)現(xiàn)方案高靜態(tài)電流的原因，其想要做到這一點(diǎn)則相當(dāng)吃力。

圖2中給出的電路采用了一個(gè)小的升壓型變壓器，用于提升至一個(gè)LTC3108的輸入電壓電源，這樣就提供了一款適合無線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集的完整電源管理解決方案。它能夠采集小的溫差并生成系統(tǒng)電源，而并未使用傳統(tǒng)的電池電源。

圖2：在無線遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用中使用的LTC3108從一個(gè) TEG（Peltier Cell）來供電

LTC3108利用一個(gè)耗盡型N溝道MOSFET開關(guān)來形成一個(gè)諧振升壓振蕩器（采用一個(gè)外部升壓變壓器和一個(gè)小耦合電容器）。這使得它能夠?qū)⒁粋€(gè)低至20mV的輸入電壓升舉至足夠高的電平，以提供多個(gè)用于給其他電路供電的已調(diào)輸出電壓。振蕩的頻率由變壓器副端繞組的電感決定，通常在20kHz至200kHz的范圍內(nèi)。

對(duì)于低至20mV的輸入電壓，建議采用一個(gè)約 1:100 的主-副端匝數(shù)比。對(duì)于較高的輸入電壓，可采用一個(gè)較低的匝數(shù)比。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)的市售元件，而且隨時(shí)可以向磁性元件供應(yīng)商訂購(gòu)。20mV的低電壓運(yùn)作正是憑借我們的復(fù)合耗盡型N溝道MOSFET得以實(shí)現(xiàn)的。

由圖3可見，LTC3108采取了一種解決復(fù)雜問題的“系統(tǒng)級(jí)”方法。它能夠轉(zhuǎn)換低電壓電源并管理多個(gè)輸出之間的能量。在變壓器副端繞組上產(chǎn)生的AC電壓采用一個(gè)外部充電泵電容器（連接在副端繞組和引腳C1之間）以及LTC3108內(nèi)部的整流器進(jìn)行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入VAUX引腳，并把電荷輸送至外部VAUX電容器，而后至其他輸出。

內(nèi)部2.2V LDO可支持一個(gè)低功率處理器或其他的低功率IC。該LDO由VAUX和VOUT兩者當(dāng)中數(shù)值較高的那個(gè)來供電。這使得它能夠在VAUX充電至2.3V（此時(shí)VOUT存儲(chǔ)電容器仍然處于充電過程之中）時(shí)立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。如果 LDO輸出端上存在一個(gè)階躍負(fù)載，則在VAUX降至低于VOUT的情況下電流可以取自主VOUT電容器。LDO輸出能夠提供高達(dá)3mA的電流。

圖3：LTC3108方框圖

VOUT上的主輸出電壓從VAUX電源來充電，并可由用戶采用電壓選擇引腳VS1和VS2設(shè)置為4種已調(diào)輸出電壓之一。4種固定輸出電壓是：2.35V（用于超級(jí)電容器）、3.3V（用于標(biāo)準(zhǔn)電容器）、4.1V（用于鋰離子電池終端）或5V（用于較高的能量存儲(chǔ)）和一個(gè)主系統(tǒng)電源軌（用于給一個(gè)無線發(fā)送器或傳感器供電）—— 從而免除了增設(shè)阻值達(dá)數(shù)兆歐（MΩ）的外部電阻器的需要。因此，與那些需要非常大阻值電阻器的分立型設(shè)計(jì)不同，LTC3108并不要求采用特殊的電路板涂層以最大限度地減少泄漏。

第二個(gè)輸出（VOUT2）可以由主微處理器采用VOUT2_EN引腳來接通和關(guān)斷。當(dāng)被使能時(shí)，VOUT2通過一個(gè)P溝道MOSFET開關(guān)與VOUT相連。該輸出可用于為諸如傳感器或放大器等不具備低功率睡眠或停機(jī)功能的外部電路供電。作為樓宇溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器內(nèi)置檢測(cè)電路一部分的MOSFET的上電和斷電便是此類實(shí)例之一。

VSTORE電容器可以具有非常大的電容值（幾千μF甚至F），以在有可能失去輸入電源的時(shí)候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、備用輸出和開關(guān)輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對(duì)一個(gè)大存儲(chǔ)電容器或可再充電電池進(jìn)行充電。在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，將允許VSTORE輸出充電至高達(dá)VAUX電壓（該電壓被箝位于5.3V）。VSTORE上的電能存儲(chǔ)元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時(shí)用于補(bǔ)充VOUT1、VOUT2和LDO輸出所需要的電流。

一個(gè)電源良好比較器負(fù)責(zé)監(jiān)視VOUT電壓。一旦VOUT充電至其已調(diào)電壓的7%以內(nèi)，則PGOOD輸出將走高。如果VOUT從其已調(diào)電壓下降9%以上，則PGOOD將走低。PGOOD 輸出專為驅(qū)動(dòng)一個(gè)微處理器或其他芯片I/O而設(shè)計(jì)，且并非用于驅(qū)動(dòng)諸如 LED 等較高電流負(fù)載。

結(jié)論

總之，LTC3108熱能采集、DC-DC升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器是一款革命性的器件，可以從太陽能電池、熱電發(fā)生器或其他相似的熱源獲得能量。該器件獨(dú)特的諧振功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其能夠在20mV的極低輸入電壓條件下啟動(dòng)。在目前市面上用于構(gòu)成完整能量采集鏈的解決方案中，它所擁有的高集成度（包括電源管理控制器和市售的外部元件）令其成為其中體積最小、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單且易于使用的一款。